6.5. Водный баланс и режим подземных вод

Водный баланс земной поверхности и подземных вод (вод зоны аэрации и грунтовых вод) необходимо изучать совместно. Рассмот­рим часть небольшого речного бассейна. Примем для упрощения задачи, что водообмен подземными водами с соседними бассейна­ми отсутствует, т.е. поверхностный и подземный водоразделы для рассматриваемого бассейна совпадают. Выделим в нем три взаимо­связанных по вертикали элемента – поверхность, зону аэрации и водоносный горизонт грунтовых вод (рис. 12) и напишем для каждого из этих элементов уравнение водного баланса согласно общим положениям.

Рис. 12. Схема водного баланса для поверхности речного бассейна, зоны аэрации и грунтовых вод

Непосредственно для поверхности бассейна уравнение водного баланса будет иметь вид

х = y_пов + y_инф + z_пов ± Δu_пов, (33)

где х – атмосферные осадки на поверхности бассейна; у_пов – поверх­ностный (склоновый) сток; y_инф – вода, поступившая в зону аэра­ции в процессе инфильтрации; z_пов – испарение непосредственно с поверхности почвы и смоченных водой растений, с участков, залитых водой, и т.д.; Δu_пов – изменение содержания (запасов) воды в неровностях поверхности бассейна, например в водных объектах на этой поверхности.

6.6. Взаимодействие поверхностных и подземных вод. Роль подземных вод в питании рек. Некоторые природные проявления подземных вод

Взаимодействие поверхностных и подземных вод играет очень важную роль в гидрологических процессах на планете.

Рассмотрим это взаимодействие на примере речных и грунтовых вод (рис. 13). Закономерности такого взаимодействия справедливы и для других водных объектов суши, например озер и водохранилищ. Выделяют три типа взаимодействия речных и грунтовых вод: наличие постоянной гидравлической связи, наличие временной гидрав­лической связи и отсутствие гидравлической связи. Характер связи речных и грунтовых вод за­висит от соотношения высоты стояния уровня в реке в половодье и межень, с одной стороны, и положения кровли водоупорного пласта (водоупора) и уровня находящихся над ним грунтовых вод – с другой.

Рис. 13. Схема взаимодействия речных и грунтовых вод:

а — постоянная односторонняя гидравлическая связь (река в течение всего года питает грунтовые воды); б — постоянная двусторонняя гидравлическая связь (река питает грунтовые воды в половодье и дренирует их в межень): в — временная гидравлическая связь; г — отсутствие гидравлической связи; 1—водоупорный пласт; 2 — уровень грунтовых вод; .3 —направление движения грунтовых вод; 4 — уровень воды в реке в половодье; 5 — уровень воды в реке в межень; 6 — источники (родники)

При очень низком положении водоупора и уровня грунтовых вод река в течение всего года через берега и дно питает подрусловые и прибрежные грунтовые воды (рис. 13, а), т.е. постоянно теряет воду на питание грунтовых вод.

В этом случае фильт­рация речных вод происходит практически вертикально вниз, об­ходя область слабоводопроницаемых пород ("свободная фильтра­ция").

При более высоком положении водоупора река питает грунто­вые воды лишь в половодье; в межень река, наоборот, дренирует грунтовые воды и ими питается (рис. 13, б). На спаде половодья и в межень часть накопленной в грунте воды возвращается в русло реки. Такое явление называется береговым регулированием речного стока или периодическим питанием подземных вод.

При еще более высоком положении водоупора река, так же как и в предыдущем случае, в половодье питает грунтовые воды, а в ме­жень грунтовые воды питают реку. Однако в межень происходит разрыв кривой депрессии грунтовых вод и понизившегося уровня в реке – на склонах русла возникают мочажины и начинают дей­ствовать родники или ключи, дебиты которых не зависят от изменения уровня воды в реке.

Наконец, при очень высоком положении водоупора как в по­ловодье, так и в межень грунтовые воды и река не имеют между собой гидравлической связи (рис. 13, г).

С деятельностью подземных вод на поверхности речного бас­сейна и в грунтах верхней части земной коры связаны специфиче­ские физико-геофафические явления: оползни, суффозия, карст, заболачивание, мерзлотно-гидрогеологические процессы.

Оползни представляют собой смещения вниз по склону масс рыхлой породы под действием силы тяжести, особенно при насы­щении рыхлого материала водой и при чередовании водоупорных и водоносных слоев. Если вниз по склону смещается маломощный слой почвы или грунта, насыщенный талыми или грунтовыми во­дами, то такое явление называют оплывиной

Суффозией принято называть вынос взвешенных веществ пото­ками грунтовых вод. Суффозия ведет к образованию подземных пустот и формированию на поверхности замкнутых понижений – блю­дец, воронок, западин.

Карст – это природное явление, связанное с растворением во­дами (как поверхностными, так и подземными) горных пород, и формированию воронок, кот­ловин, колодцев, пещер, полостей, ходов.

К числу мерзлотно-гидрогеологических явлений относятся бугры пучения, наледи, термокарст, термоэрозия и термоабразия. Буг­ры пучения – это выпуклые формы рельефа, возникающие в области многолетнемерзлых или сезонномерзлых пород в резуль­тате ледообразования в грунтах.

Наледи подземных вод – это массивы льда, образую­щиеся при намораживании излившихся на поверхность земли грун­товых вод.

Термокарст – это образование просадочных форм рельефа в результате вытаивания подземного льда или оттаивания мерзлого грунта. Термоэрозия – это разрушение мерзлых пород на бе­регах рек при тепловом воздействии текущих вод. Термоабра­зия – процесс разрушения берегов морей, озер, водохранилищ, сло­женных льдом или многолетнемерзлыми грунтами, с участием тер­мического воздействия воды и воздуха.

Важным проявлением воздействия подземных вод на ландшафты являются источники (родники) – места естествен­ной разгрузки грунтовых вод на земную поверхность. Различают несколько типов такой разгрузки (В.А. Всеволожский, 1991 г.). Кон­тактовые выходы грунтовых вод (источники) образуются в тех случаях, когда эрозионные врезы вскрывают место контакта уровня грунтовых вод с подстилающими слабопроницаемыми породами (рис. 14).

Рис. 14. Основные схемы формирования естественных выходов грунтовых вод (источников или родников) на земную поверхность (по В.А. Всеволожскому): а – контактный; б – депрессионный; в - экранированный

Депрессионные выходы грунтовых вод (источники) могут быть приурочены к понижениям земной поверхности, вскрывающим кривую депрессии грунтовых вод (рис. 14, б). Третий тип разгрузки грунтовых вод на земную поверхность – экранированный (рис. 14, в). В этом случае источники формируются в местах, где поток грунтовых вод достигает границы распростра­нения слабоводопроницаемых пород ("экрана").